MRI基本原理

MRI基本构成NS主磁场射频场一、MRI仪器的基本硬件构成主要由：1、主磁体：产生磁场的装置，根据主磁体产生磁场的不同分为永磁型和电磁型。电磁型主磁体分为常导磁体及超导磁体；根据磁场的高低分为低场（0.5T）、中场（0.5-1.0T）、高场（1.0-2.0T）及超高场（＞2.0T）。主磁场的场强可采用高斯（Gauss，G）或特斯拉（Tesla，T）来表示，特斯拉是目前磁场强度的国际单位。高场强MRI仪的主要优势表现为：1、具有高质子磁化率和图像信噪比；2、在保证足够信噪比的前提下，可缩短MRI的信号采集时间；3、磁共振频谱（MRS）对代谢产物的分辨能力提高；4、更容易实现脂肪饱和技术；5、增强磁敏感效应，使基于血氧饱和度水平依赖（BOLD）效应增加，脑功能成像的信号变化更为明显。但MRI仪场强增高也带来以下问题：设备成本增加，价格提高；2、噪声水平增加，虽然可采用静音技术降低噪声，但反过来又增加了成本；3、因为射频的特殊吸收率（SAR）与主磁场场强的平方成正比，高场强下射频脉冲的能量在人体内累积明显增大，SAR值问题在3.0T超高场强机上表现得尤为突出；4、运动、化学位移和磁化率伪影更为明显。2、梯度系统：由梯度线圈、梯度放大器、数模转换器、梯度控制器、梯度冷却装置等构成，梯度线圈安装于主磁体内。梯度系统主要作用：1、进行MRI信号的空间定位编码；2、产生MR回波（梯度回波）；3、施加扩散加权梯度场；4、进行流动补偿；5、进行流动液体的流速相位编码。3、射频系统：由射频发生器、射频放大器和射频线圈构成。射频线圈有发射线圈和接收线圈之分。4、计算机系统：控制着MRI仪的脉冲激发、信号采集、数据运算和图像显示。5、其它辅助设备：检查床、液氮及水冷却系统、空调、图像存储和打印等。人体的水分子分为自由水和结合水静止的质子，杂乱排列主磁场作用下质子规则排列射频场终止振动的质子释放能量射频场作用下质子进动、共振计算机运算磁共振图像MRI工作原理磁共振成像的物质基础一、原子的结构原子是由原子核和位于其周围轨道中的电子构成，电子带有负电荷，原子核由中子和质子构成，中子不带电荷，质子带有正电荷。二、自旋和核磁的概念任何磁性原子核都具有以一定频率绕自身轴进行高速旋转的特性，该特性称为自旋。由于原子核带有正电荷，磁性原子核的自旋就形成电流环路，产生具有一定大小和方向的磁化矢量。我们把这种由带正电荷原子核自旋产生的磁场称为核磁。三、磁性和非磁性原子核并非所有原子核都有自旋，如果原子核内的质子和中子数均为偶数，则该种原子核无自旋和核磁，被称之为非磁性原子核。反之，有自旋和核磁的原子核称为磁性原子核。磁性原子核需要符合以下条件：（1）中子和质子均为奇数；（2）中子为奇数，质子为偶数；（3）中子为偶数，质子为奇数。四、用于人体磁共振成像的原子通常所指的MRI为氢质子的MR图像。•原因有：1、1H的磁化率很高；2、1H占人体原子的绝大多数。•决定MRI图像的参数是：•－质子密度－横向(T2)弛豫时间－纵向(T1)弛豫时间这是MRI显示解剖结构和病变的基础。五、人体组织MRI信号的主要来源需要指出：并非所有质子都产生MRI信号，常规MRI信号主要来源于水分子的质子（简称水质子），部分组织的信号也可来源于脂肪中的质子（简称脂质子）。人体内的水分子可以分为自由水和结合水两种。前者指蛋白质大分子周围水化层中的水分子，这些水分子黏附于蛋白质大分子的部分基团上，与蛋白质大分子不同程度的结合在一起，其运动受限。后者是指未与蛋白质结合，能自由活动的水分子。地球自转产生磁场氢质子总是不停地按一定频率绕着自身的轴发生自旋(Spin)，氢质子带正电荷，其自旋产生的磁场称为核磁，因而以前把磁共振成像称为核磁共振成像（NMRI）。进入主磁场前后人体内质子核磁状态的改变一、进入主磁场前人体内质子的核磁状态人体所含质子不计其数，每个质子自旋均能产生一个小磁场，由于这种小磁场的排列处于杂乱无章的状态，使每个质子产生的磁化矢量相互抵消，因此人体在自然状态下并无磁性，即没有宏观磁化矢量的产生。通常情况下，尽管每个质子自旋均产生一个小的磁场，但呈随机无序排列，磁化矢量相互抵消，人体并不表现出宏观磁化矢量。二、进入主磁场后人体内质子的核磁状态当人体位于主磁场中时，体内质子产生的小磁场呈有规律排列，主要有两种排列方式：一是与主磁场方向平行，另一种是与主磁场方向相反。从量子物理学的角度而言，二者代表质子的能量差别。与主磁场平行同向的质子处于低能级，其磁化矢量方向与主磁场一致；平行反向的质子处于高能级，其磁化矢量与主磁场相反。由于低能级质子略多，使人体产生一个与主磁场方向一致的宏观纵向磁化矢量。把人体放进大磁场进入主磁场前后人体组织质子的核磁状态进入主磁场后人体被磁化了，产生纵向宏观磁化矢量，磁共振接收线圈不能检测出纵向磁化矢量，但接收线圈能检测到旋转的横向磁化矢量。即此时主磁场内氢质子仍处于低能状态。给低能的氢质子能量，氢质子获得能量进入高能状态，释放能量的过程即核磁共振。怎样才能使低能氢质子获得能量，进入高能状态，产生共振？由射频线圈发射射频脉冲即可。90度脉冲由射频线圈产生90度脉冲激发后产生的宏观和微观效应低能的氢质子有一半获得能量进入高能状态，高能和低能质子数相等，纵向磁化矢量相互抵消而等于零，质子的微观横向磁化矢量相加，产生宏观横向磁化矢量。•射频脉冲停止后，在主磁场的作用下，横向宏观磁化矢量逐渐缩小到零，纵向宏观磁化矢量从零逐渐回到平衡状态，这个过程称为核磁弛豫。•核磁弛豫又可分解为两个部分：•横向弛豫•纵向弛豫横向弛豫•也称为T2弛豫，简单地说，T2弛豫就是横向磁化矢量减少的过程，能量衰减2/3所需要的时间即T2弛豫时间。横向弛豫过程使质子群由相位一致变为互异，所以又称自旋-自旋弛豫。90度脉冲纵向弛豫•也称为T1弛豫，是指90度脉冲关闭后，在主磁场的作用下，纵向磁化矢量开始恢复，直至恢复到平衡状态的过程，纵向磁化矢量恢复到原能量2/3时所需时间即T1弛豫时间。在纵向弛豫过程中高能态的质子将其能量扩散到周围环境，所以又称为自旋晶格弛豫。90度脉冲•不同的组织横向弛豫速度不同•不同的组织T2值不同•T2值小横向磁化矢量减少快MR信号低（黑）•T2值大横向磁化矢量减少慢MR信号高（白）•水T2值约为3000毫秒MR信号高•脑T2值约为100毫秒MR信号低•不同组织有不同的纵向弛豫速度•不同组织T1值不同•T1值越小纵向磁化矢量恢复越快MR信号强度越高（白）•T1值越大纵向磁化矢量恢复越慢MR信号强度越低（黑）•脂肪的T1值约为250毫秒MR信号高（白）•水的T1值约为3000毫秒，MR信号低（黑）磁共振“加权成像”T1WIT2WI何为加权？？？–所谓的加权就是“重点突出”的意思T1加权成像（T1WI）----突出组织T1弛豫（纵向弛豫）差别T2加权成像（T2WI）----突出组织T2弛豫（横向弛豫）差别质子密度加权成像（PD）－突出组织氢质子含量差别T2加权成像（T2WI)反映组织横向弛豫的快慢！T1加权成像(T1WI)反映组织纵向弛豫的快慢！如何区分T1WI、T2WI•1、看TR、TE•T2WI：–长TR（2000毫秒）、–长TE（50毫秒）•T1WI：–短TR（400-800毫秒）–短TE（10-15毫秒）T2WIT1WI如何区分T1WI、T2WI•2、看水和脂肪–T1WI：•水（如脑脊液、胃液、肠液、尿液）呈低信号（黑）•脂肪呈很高信号（很白）–T2WI：•水呈很高信号（很白）•脂肪信号有所降低（灰白）T2WIT1WI如何区分T1WI、T2WI•3、看其他结构脑组织：T1WI:白质比灰质信号高T2WI:白质比灰质信号低腹部：T1WI:肝脏比脾脏信号高T2WI:肝脏比脾脏信号低T2WIT1WIT1WIT2WI三、MRI的基本技术和新技术•常规MRI•MRA•扩散成像•灌注成像•MR水成像•脑功能成像•MRI电影•MR频谱分析•介入性MRIMRI信号含义(中低场)信号程度T1WIT2WI极低信号骨皮质、水骨皮质低/稍低信号介于等信号和极低信号之间等信号与背景实质脏器信号相仿高/稍高信号介于等信号和极高信号之间极高信号脂肪水、血管瘤不同组织MRI信号特点(中低场)分类代表组织T1WIPDWIT2WI硬组织骨皮质、结石、肌腱、疤痕游离水水肿、尿液、脑脊液等信号结合水实质脏器、肿瘤等信号临界水脓液、滑液等信号等信号脂肪脂肪组织、黄骨髓血液依流动速度、存在形式、出血时间而异组织T1(ms)T1WIT2(ms)T2WI脂肪180白90灰白肝脏270灰白50灰黑肾皮质360灰白70灰黑脑白质390灰白90灰黑脾脏480灰白80灰黑脑灰质520灰白100灰白肌肉600灰40黑肾髓质680灰黑140灰黑血液800黑180黑脑脊液2000黑300白水2500黑2500白气体黑黑常见组织的T1，T2值及信号特点组织T1WIT2WI脑白质中高中低脑灰质中低中高脑脊液低高脂肪高中高骨皮质低低水肿低高含水囊肿低高亚急性血肿高高瘤结节中低中高钙化低低